Zusammenfassungen englisch/deutsch - OvGU

Dipl.- Biol. Anne Gieseler
Zusammenfassung der Dissertation zum
Thema: Rotenon-induzierte
Komplex
I-Inhibierung
in
primär
kultivierten
neokortikalen Neuronen: oxidativer Stress, Permeabilitätstransitionsdynamik
und die protektive Rolle von Minozyklin
Neurodegenerative Erkrankungen stellen in Gesellschaften mit steigender Lebenserwartung
ein großes medizinisches Problem dar. Die Parkinson-Krankheit ist eine der häufigsten
neurodegenerativen Störungen, verursacht durch den Untergang Dopamin-produzierender
Neuronen in der Substantia nigra pars compacta im Mittelhirn. Die zu Grunde liegenden
Mechanismen sind bis heute nicht vollständig geklärt. Neben genetischen Faktoren kommen
mitochondrial bedingte Stoffwechselstörungen in Frage, die mit der Bildung von freien
Radikalen sowie mit einer Erhöhung intrazellulärer Kalziumspiegel einhergehen.
Ziel der vorgelegten Arbeit war es, nach Etablierung eines geeigneten Zellkultur-Modells zur
Aufklärung der für die Parkinson-Krankheit beschriebenen pathophysiologischen
Mechanismen beizutragen. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Tetrazyklin-Derivat
Minozyklin, das in der Klinik als potenzielles Neuroprotektivum eingesetzt wird. Anhand von
primär kultivierten kortikalen Neuronen wurde durch Applikation von Rotenon eine
Inhibierung des mitochondrialen Komplex I vorgenommen, um nachfolgend die Auswirkung
dieser Blockade auf die Aktivität bzw. Öffnung der für neurodegenerative Prozesse
bedeutsamen mitochondrialen Permeabilitätstransitionspore (mtPTP), zu untersuchen. Die
Bestimmung mtPTP-relevanter Parameter, wie zytosolische Kalziumdynamik, mitochondriale
Schwellung sowie die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (Reactive Oxygen Species,
ROS), sollte mittels bildgebender Verfahren und biochemischer Analysen Aufschluss über die
Veränderungen der mitochondrialen Funktionalität geben. Damit war die Voraussetzung zu
schaffen, um zur Aufklärung der Wirkungsmechanismen von Minozyklin beizutragen, dessen
Eignung als Neuroprotektivum in jüngerer Zeit zunehmend kontrovers diskutiert wird.
Unsere Kalzium-Imaging-Experimente konnten zeigen, dass Rotenon in kortikalen Neuronen
zu einer veränderten zytosolischen Kalziumdynamik führt. In Anwesenheit des „klassischen“
mtPTP-Blockers Cyclosporin A (CsA) wird die Rotenon-induzierte Kalzium-Deregulation
verringert, was eine Beteiligung der mtPTP erkennen lässt. Diese Vermutung wurde durch die
in der Arbeit vorgestellten Ergebnisse unterstützt, in denen Rotenon in isolierten
Mitochondrien die Kalzium-induzierte mtPTP-Öffnung fördert. Im Zellkulturmodell zeigte
sich, dass Minozyklin die Rotenon-induzierte Kalzium-Deregulation nahezu komplett
verhindert und sich damit noch wirksamer als der reine mtPTP-Inhibitor CsA erwies. Neben
einer Blockade der mtPTP sind die Radikalfängereigenschaften des Minozyklins als protektiv
erkannt worden. So konnte unter anderem gezeigt werden, dass die durch H2O2 stimulierte
ROS-Produktion kortikaler Neuronen durch Minozyklin drastisch verringert wird. Zugleich
konnte für das Pharmakon ein zytotoxischer Effekt nachgewiesen werden.
Aus den vorgelegten Befunden resultiert die Empfehlung, einer weiteren klinischen
Anwendung des Minozyklins als Neuroprotektivum, in Abhängigkeit von der Dosis und
Applikationsart, eine präzise Nutzen-Schaden-Kalkulation zugrunde zulegen.
Dipl.- Biol. Anne Gieseler
Englische Zusammenfassung der Dissertation mit dem
Thema: Rotenon-induzierte Komplex I-Inhibierung in primär kultivierten
neokortikalen Neuronen: oxidativer Stress, Permeabilitätstransitionsdynamik
und die protektive Rolle von Minozyklin
Neurodegenerative diseases represent a major problem in populations with increasing life
expectancies. Parkinson’s disease is one of the most frequent neurological disorders, caused
by the degeneration of dopamine producing neurons in the Substantia nigra pars compacta of
the midbrain. The underlying mechanisms remain poorly defined. In addition to genetic
factors mitochondrial mediated metabolic disorders along with generation of free radicals as
well as the increase in high intracellular calcium levels play an important role in the
development of this disease.
The aim of the thesis was to establish a powerful cell culture model to investigate and confirm
already described pathophysiological mechanisms. Therefore, the mitochondrial complex I of
primary cultivated cortical neurons were inhibited by application of rotenone to study how
this blockade affects the activity and opening of the mitochondrial permeability transition
pore (mtPTP), which plays an important role in neurodegenerative processes. The
investigation of mtPTP relevant parameters, like cytosolic calcium dynamics, mitochondrial
swelling as well as the production of reactive oxygen species (ROS) by using imaging
techniques and biochemical assays provided information about modified mitochondrial
functions. On the basis of this data the impact of the tetracycline-derivative minocycline is
investigated, whose neuroprotective property is recently discussed controversial.
The calcium imaging experiments had shown that the application of rotenone results in
changed cytosolic calcium dynamics of cortical neurons. The rotenone-induced calcium
deregulation is decreased in presence of the classical mtPTP blocker cyclosporine A (CsA).
This indicates the involvement of the mtPTP. This presumption is supported by the present
finding that rotenone facilitates the calcium-induced mtPTP opening in isolated mitochondria.
The cell culture model demonstrates that minocycline prevents a rotenone induced calcium
deregulation almost completely and prove to be more effective than the mtPTP inhibitor CsA.
However, other protective mechanisms, besides a blockade of the mtPTP, in particular the
radical scavenging properties of minocycline, were shown to be beneficial. Accordingly, we
could find that the H2O2-stimulated ROS production in cortical neurons is dramatically
decreased by minocycline. In contrast, a cytotoxic effect of minocycline could be observed.
Concluding from the results presented, we recommend to calculate precisely the
beneficial and detrimental effects when minocycline is considered for application in
neurodegenerative disorders.